Type IV Collagen-Enriched 3D Extracellular Matrix Niche Enhances Proliferation and Preserves Phenotype in Primary Mouse Hepatocytes
本研究表明，富含 IV 型胶原蛋白的 3D 细胞外基质微环境能够有效维持原代小鼠肝细胞在长期培养过程中的成熟表型与稳定增殖，同时防止了由 Matrigel 等传统基质诱发的胆管化生。
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在医学研究领域，在体外培养肝脏细胞一直是一个持久的挑战。科学家需要这些细胞来测试新药和研究肝脏疾病，但一旦脱离人体，它们就会迅速失去其身份特征。它们不再是成熟、功能完备的肝细胞，而是往往会转化为完全不同的东西，变得类似于衬在胆管内壁的细胞。这种被称为“胆管化上皮变性”（biliary metaplasia）的变化，使得它们在许多应用中变得毫无用处，因为它们停止了执行真实肝脏所必需的代谢任务。几十年来，研究人员一直试图通过将这些细胞置于模拟人体自然支架的3D环境中来保持它们的活力与生长，但用于此目的的最常见材料却无法同时维持细胞的增殖能力及其专门化的肝脏功能。
由日本尼皮生物材料研究所（Nippi Research Institute of Biomatrix）的村泽雄介（Yusuke Murasawa）开展的一项新研究提供了一个解决方案，该研究确定了一种能让原代小鼠肝细胞在超过一个月的时间内保持稳定且具有功能的特定成分。研究人员使用了一种可定制的3D凝胶系统，这是一种模块化平台，允许他们混合搭配不同的生物组分，以观察哪些组分能帮助细胞茁壮成长。他们对比了几种不同的混合物，包括全球实验室通用的标准材料，以及一种富含特定类型胶原蛋白的新配方。这种被称为IV型胶原蛋白的物质经过特殊处理，暴露了隐藏的信号位点，从而起到生物化学稳定剂的作用。
结果令人瞩目。当肝细胞在标准材料中生长时，它们最初会进行增殖，但随后迅速减速，到第三周时，细胞数量翻倍所需的时间几乎增加了一倍。更重要的是，这些细胞开始失去其肝脏身份，开启了表明它们正在转变为胆管细胞的标志物。相比之下，在富含胶原蛋白的凝胶中生长的细胞保持了稳定且快速的生长节奏，在整个40天的实验过程中，每40到55小时就能稳定地实现数量翻倍。这些细胞并未发生转化；它们保持了真实的肝脏本性，持续产生白蛋白（一种由肝脏制造的关键蛋白质），并表达对于分解药物至关重要的酶。
研究人员仔细观察了这些生长中的细胞集群（或称球体）的结构，以理解为什么这种新材料效果如此之好。他们发现，富含胶原蛋白的环境促使细胞组织成致密、坚实的团块，使得药物代谢酶均匀分布在整个集群中。这与标准材料形成了鲜明对比，在标准材料中，细胞经常形成空心的囊肿状结构，且代谢酶仅呈零散、微弱的斑块状出现。这种新凝胶还促使细胞构建自身的内部支撑系统，以有序的方式在细胞集群周围沉积属于它们自己的胶原层，而标准材料则无法激发这种行为。
通过测量细胞随时间分泌白蛋白的量，研究证实了富含胶原蛋白的凝胶不仅让细胞存活，还让它们保持了高度的功能性。虽然标准材料在培养过程中表现出蛋白质产量下降的趋势，但新配方在整个研究期间都保持了强劲且稳定的白蛋白输出。研究人员得出结论，这种特定形式的胶原蛋白起到了关键的决定作用，它提供了必要的信号，既防止了细胞向胆管身份漂移，又同时支持了它们的扩张。这一发现表明，长期肝细胞培养的关键不在于复杂的生长因子鸡尾酒配方，而在于细胞所处物理环境的精确组成，这为创建用于药物测试和再生医学的可扩展、高质量肝脏模型提供了一条可靠的路径。
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